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대기환경기사_환경공학기초(3), 환경공학관련법칙(1)

by 이_정맨 2024. 3. 2.

안녕하세요. 오늘은 지난 포스팅에 이어서 농도를 이어서 알아보도록 하겠습니다. 오늘 환경공학 기초를 마무리하실 수 있을 거 같습니다.

첫 번째로 몰농도(M)입니다. 몰농도는 물 1L에 들어있는 mol의 양을 기호로 나타낸 것입니다. 여기서 mol이란, 물질의 분자량을 1 mol이라고 합니다. 모든 물질은 1 mol에 분자량, 그리고 기체일 때 표준상태(STP)를 기준으로 22.4L의 부피, 6.02*10^23개의 분자 수를 가지고 있습니다. 몰농도를 구하는 식은 M=mol/L입니다. 예를 들어 황산 2M는 2 mol/L로 구할 수 있습니다. 2 mol의 분자량은 2*98g으로 구할 수 있습니다. 즉, 2M=(2*98g)/L로 구할 수 있습니다.

두 번째로 노르말농도(N)입니다. 노르말농도는 물 1L에 들어있는 eq(당량)의 양을 기호로 나타낸 것입니다. 여기서 eq란, 물질의 분자량을 가수로 나누어 준 것입니다. 가수라는 것은 산화수를 의미하고, 이제 산화수를 구하는 방법을 알아보도록 하겠습니다. 산화수를 구할 때는 H+, OH-를 먼저 찾는 것입니다. 물질은 대부분 안정하게 존재하고, 여기서 안정한 상태라는 것은 +와 -의 개수가 같은 상태인 것을 말합니다. 예를 들어, NaOH라고 한다면, OH-가 하나가 있으므로, Na+가 되었을 때 안정한 상태가 됩니다. H2SO4의 경우에는 H+가 2개 있으므로 SO4^2-가 되어 2가로 안정되게 됩니다. 안정되는 개수로 산화수를 구할 수 있습니다. 특히, 시험에 나오는 특이한 산화수를 가진 분자가 있습니다. 바로 KMnO4(5가), K2 Cr2 O7(6가)입니다. 이는 시험에 자주 출제되나 구하기 쉽지 않으므로 필수로 암기를 해주셔야 합니다. 이를 통해 예시 문제를 풀어보도록 하겠습니다. Ca(OH)^2의 2N이 있습니다. 2 당량을 1L의 물로 나누어서 구할 수 있습니다. 즉, 2N은 2*(74/2)를 1L로 나누어서 구할 수 있게 되는 것입니다.

마지막으로 단위 환산에 대해서 알아보도록 하겠습니다. 단위 환산을 하기 위해서는 목표 단위를 왼쪽에 적어둡니다. 그런 다음 문제에서 제시된 단위를 오른쪽 첫 번째에 적어둡니다. 그다음 단위 환산을 시작합니다. 같은 단위끼리는 대각선에 위치시켜서 소거해 줍니다. 이 과정을 통해 원하는 단위로 변환해 낼 수 있을 것입니다. 환경공학에서는 쓰이지 않는 단위이지만 단위 환산에 대해서 쉽게 이해하기 위해서 문제를 풀어보겠습니다. “기린 2마리는 다리가 몇 개인가?”라는 문제가 있습니다. 목표 단위는 “개”로 왼쪽에 위치시켜 둡니다. 그리고 오른쪽에는 문제에서 제시된 2마리를 적어둡니다. 기린 1마리는 4개의 다리를 가지고 있으므로, 같은 단위를 대각선에 위치시키면 X개=기린 2마리 * 4개/1마리 이와 같은 식을 세울 수 있습니다. 그 결과 답은 8개로 구해낼 수 있습니다.

이제부터는 환경공학 관련 법칙에 대해서 알아보도록 하겠습니다. 기체 관련 법칙에는 보일의 법칙, 샤를의 법칙, 아보가드로의 법칙, 돌턴의 법칙, 헨리의 법칙, 그레이엄의 법칙, 라울의 법칙 그리고 게이뤼삭 법칙 8가지가 있습니다.

첫 번째로 보일의 법칙은 기체의 부피는 압력에 반비례한다는 법칙입니다. 예를 들어 풍선 1L에 가해지는 압력이 1 atm에서 2 atm으로 바뀌게 되었을 때의 부피를 구하고자 합니다. 압력은 부피에 반비례하므로 1L * (1 atm/2 atm) = 0.5L로 구할 수 있습니다. 압력 커져, 부피는 작아졌습니다.

두 번째로 샤를의 법칙은 기체의 부피는 온도에 비례한다는 법칙입니다. 온도는 절대온도(K)를 사용합니다. 부피는 절대온도에 비례하여 변하기 때문입니다. 이에 대한 문제를 풀어보겠습니다. 현재 온도가 10°C일 때, 풍선의 부피가 1L입니다. 온도가 20°C로 상승하게 되었을 때의 부피를 구하려고 합니다. 1L * (273+20/273+10) = 1.0353L가 됩니다. 온도가 상승하여, 부피도 커진 것입니다.

세 번째로 아보가드로의 법칙입니다. 온도와 압력이 일정할 때 부피는 몰수에 비례한다는 법칙입니다. 이를 식으로 나타내면 P(압력) V(부피) = n(몰수) R(이상 기체상수) T(절대온도)입니다. 여기서 P는 압력, V는 부피, n은 몰수, R은 이상기체 상수, T는 절대온도입니다. 참고로 1 mol은 22.4L(STP), 6.02*10^23개와 같습니다.

네 번째로 돌턴의 법칙입니다. 전체 압력은 각각의 기체의 부분압력을 모두 더한 값과 같다는 법칙입니다. 즉, 부분압은 부분 부피에 비례한다는 것입니다. 공기 1L = 질소 0.79L + 산소 0.21L라면, 공기 1 atm = 질소 0.79 atm + 산소 0.21 atm인 것을 알 수 있습니다.

다음으로 헨리의 법칙입니다. 용매에 잘 녹지 않는 기체 즉, 난용성 기체의 용해도는 그 액체 위에 미치는 기체 분압에 비례합니다. 이를 식으로 나타내면 C=H*P로 표현할 수 있습니다. C는 용해된 기체의 농도를 말하며, 단위는 mol/L입니다. H는 헨리 상수로, 단위는 mol/L·atm입니다. P는 공기 중 기체의 분압입니다. 헨리 상수가 클수록 난용성 기체입니다. 대표적인 난용성 기체로는 NO(일산화질소), NO2(이산화질소), CO(일산화탄소), O2(산소), N2(질소)가 있습니다.

그레이엄의 법칙부터는 다음 포스팅에서 알아보도록 하겠습니다. 감사합니다.